基于CATIA-DMU的刮水器仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

李兵

（中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

隨著科技的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)及制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，汽車(chē)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期也越來(lái)越短，利用先進(jìn)的三維軟件進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析，是提高設(shè)計(jì)效率的有效方法。CATIA三維軟件不但具有強(qiáng)大的三維數(shù)字模型創(chuàng)建功能，而且還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析 （DMU—Digital Mock-Up）、CAE分析、人機(jī)工程模擬分析等，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析提供強(qiáng)有力的支持，特別是汽車(chē)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，更是離不開(kāi)三維軟件的支持。

數(shù)字樣車(chē)技術(shù) （DMU）指利用CATIA V5軟件所具有的裝配、干涉檢查、機(jī)構(gòu)仿真、運(yùn)動(dòng)包絡(luò)等功能，對(duì)樣車(chē)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬的模仿和再現(xiàn)，使其具有物理模型的特性，從而取代物理模型，驗(yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、功能 （運(yùn)動(dòng)）、工藝、制造和維護(hù)等方面內(nèi)容的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)，形成一輛模擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字樣車(chē)，對(duì)產(chǎn)品的真實(shí)化進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬參數(shù)演算。

1 某開(kāi)發(fā)車(chē)型的前刮水器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

1.1 前刮水器的數(shù)字模型建立

根據(jù)參考標(biāo)桿車(chē)型的已有實(shí)物，逆向初步建立三維數(shù)字模型，然后結(jié)合總布置、車(chē)身、內(nèi)外飾專(zhuān)業(yè)的要求、風(fēng)窗外CAS面等前刮水器周邊數(shù)模，初步確定前刮水器安裝硬點(diǎn) （安裝點(diǎn)的整車(chē)坐標(biāo)位置，整車(chē)設(shè)計(jì)中由總布置和相關(guān)專(zhuān)業(yè)共同確定），選擇刮片類(lèi)型，調(diào)整相關(guān)的數(shù)模尺寸，使前刮水器的數(shù)字模型初步達(dá)到靜態(tài)的安裝要求，如圖1所示。

該機(jī)構(gòu)組成：左刮臂 （含刮片）、右刮臂 （含刮片）、刮水電動(dòng)機(jī)、連桿1、連桿2、刮臂轉(zhuǎn)軸及安裝支承，該分類(lèi)沒(méi)有按照設(shè)計(jì)BOM來(lái)分，是依據(jù)仿真要求而分的零部件組塊。如圖1左邊數(shù)模結(jié)構(gòu)樹(shù)所示建立整個(gè)裝配的產(chǎn)品文件，為下一步運(yùn)動(dòng)分析做準(zhǔn)備。

1.2 前刮水器機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副分析

該刮水器機(jī)構(gòu)為聯(lián)動(dòng)平行式機(jī)構(gòu)，兩個(gè)連桿機(jī)構(gòu)為傳動(dòng)件，主動(dòng)件為刮水電動(dòng)機(jī)的曲柄機(jī)構(gòu)。兩個(gè)刮臂的轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸支承件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副；刮水電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)曲柄之間也是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副。由于前風(fēng)窗蓋板下部安裝空間的局限性，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸、左刮臂旋轉(zhuǎn)軸、右刮臂旋轉(zhuǎn)軸這3個(gè)軸的軸線(xiàn)為空間不平行直線(xiàn)，所以?xún)蓚€(gè)連桿端點(diǎn)連接為球連接，運(yùn)動(dòng)關(guān)系為球面運(yùn)動(dòng)副。表1列出了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系。

表1 刮水機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系

1.3 CATIA中建立仿真運(yùn)動(dòng)副關(guān)系

在CATIA中建立如圖1所示的產(chǎn)品數(shù)字模型，進(jìn)入CATIA數(shù)字化裝配模塊中的DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊，使用CATIA-DMU模塊中的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系命令建立仿真機(jī)制。所涉及的命令見(jiàn)圖2。

按照表1所列的關(guān)系約束后，結(jié)果見(jiàn)圖3。

關(guān)系約束完成后，CATIA中顯示機(jī)構(gòu)自由度為2，說(shuō)明該機(jī)構(gòu)不能做仿真運(yùn)動(dòng)。根據(jù)機(jī)械原理的知識(shí)分析，兩個(gè)刮水連桿分別存在一個(gè)自由度。對(duì)于單個(gè)連桿而言，兩個(gè)球面運(yùn)動(dòng)副約束后，還存在一個(gè)以?xún)蓚€(gè)端點(diǎn)為軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)自由度，如圖4所示。經(jīng)分析，在連桿的一端與刮臂的球接頭之間增加一個(gè)點(diǎn)面接觸運(yùn)動(dòng)副，就可以限制該自由度。

在CATIA中使用圖2中 命令，分別在兩個(gè)連桿上建立兩個(gè)點(diǎn)面運(yùn)動(dòng)副，機(jī)構(gòu)自由度為0，表示機(jī)構(gòu)的自由度都被約束完。

2 前刮水器的仿真分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

運(yùn)動(dòng)副約束完成，驅(qū)動(dòng)加載完成后，CATIA會(huì)彈出系統(tǒng)提示信息，提示機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬。機(jī)構(gòu)可以仿真模擬后，通過(guò)CATIA中兩個(gè)命令，分步建立一個(gè)周期的模擬和重放，如圖5所示。然后通命令做運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。檢查刮片運(yùn)動(dòng)包絡(luò)與風(fēng)窗形成的刮刷面積，計(jì)算刮刷面積是否滿(mǎn)足法規(guī)的要求。不滿(mǎn)足可以調(diào)整刮臂、選擇刮片的長(zhǎng)度以及調(diào)整連桿和曲柄的尺寸，然后繼續(xù)仿真模擬。

結(jié)合風(fēng)窗玻璃的曲率選擇合適的刮片類(lèi)型，調(diào)整刮臂的安裝點(diǎn)、刮臂的安裝平面、刮臂尺寸，優(yōu)化刮片的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，如圖6與圖7所示。不僅使刮片的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)與風(fēng)窗形成的刮刷面積符合要求（GB11565：轎車(chē)風(fēng)窗玻璃刮水器刮刷面積），而且盡量使刮片運(yùn)動(dòng)包絡(luò)侵入風(fēng)窗玻璃的尺寸變化均勻（刮片對(duì)風(fēng)窗的壓緊力變化均勻）。檢查刮片的運(yùn)動(dòng)起止位置與風(fēng)窗玻璃黑邊的距離，刮臂的升降角是否符合設(shè)計(jì)要求。做出刮水連桿的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，檢查包絡(luò)與周邊件是否存在干涉，以及它們之間的運(yùn)動(dòng)間隙。如圖8所示，是兩個(gè)連桿以及曲柄與周邊件的最小運(yùn)動(dòng)間隙，檢查是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 速度和加速分析

機(jī)構(gòu)速度和加速度的分析必須要先將驅(qū)動(dòng)的角度與時(shí)間關(guān)聯(lián)起來(lái)。選擇可以仿真的刮水機(jī)構(gòu)，使用知識(shí)工具欄中命令，將已經(jīng)做好的仿真機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)角度定義為與時(shí)間關(guān)聯(lián)的參數(shù)關(guān)系式。驅(qū)動(dòng)角度進(jìn)行時(shí)間函數(shù)關(guān)聯(lián)，機(jī)構(gòu)任意點(diǎn)的坐標(biāo)方向上，角速度、角加速度、線(xiàn)速度、線(xiàn)加速度都可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。在兩個(gè)刮臂上分別選擇測(cè)量點(diǎn)（點(diǎn)不能選擇在旋轉(zhuǎn)軸上），使用 命令測(cè)量?jī)蓚€(gè)測(cè)量點(diǎn)的速度和加速度，如圖9所示。

進(jìn)行速度和加速度分析時(shí)，選擇激活傳感器按鈕，根據(jù)需要選取圖10對(duì)話(huà)窗口中需要輸出的參數(shù)。圖11所示為刮水器機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)曲柄在一定角速度驅(qū)動(dòng)下一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，左刮臂上測(cè)量點(diǎn)在優(yōu)化前后的線(xiàn)加速度曲線(xiàn)對(duì)比圖。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)相同測(cè)量點(diǎn)線(xiàn)加速度峰值明顯得到優(yōu)化。使用該方法可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加速度的間接定量分析。

使用CATIA-DMU模塊進(jìn)行的刮水器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，明顯縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證周期，首次手工件樣件試裝合格，試裝件安裝尺寸、周邊運(yùn)動(dòng)間隙、刮水器刮刷面積滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

利用CATIA軟件對(duì)汽車(chē)前刮水器機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，不僅在概念設(shè)計(jì)階段具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)在樣車(chē)試驗(yàn)階段可迅速發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并提出改進(jìn)方案。通過(guò)仿真模擬→優(yōu)化設(shè)計(jì)→試驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)流程，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和品質(zhì)。

［1］馮潼能.基于CATIA V5的自動(dòng)鉆鉚機(jī)工藝過(guò)程仿真研究［C］.第5屆中國(guó)CAE工程分析技術(shù)年會(huì)論文集.

［2］李文麗.基于CATIA／DMU的某商務(wù)車(chē)空調(diào)出風(fēng)口的設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］.輕型汽車(chē)技術(shù)，2010（1／2）.

［3］尤春風(fēng).CATIA高級(jí)應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［4］黃錫愷，鄭文緯.機(jī)械原理 （第6版）［M］.北京：高等教育出版社，1989.